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アンテナエレメントが長いほど利得が上がりますか?

アントデービーアイさん

2010/4/510:53:08

アンテナエレメントが長いほど利得が上がりますか?

GPなどは、垂直エレメントが長いほど、利得は高いようですが、

ダイポールも、3/2λ ダイポールは、利得があるのでしょうか?

また、どんな原理で、利得があがるのでしょうか?

1/2λアンテナの電流を1つの単位だとすると、
あとの長い部分の電流は、方向が揃った2単位が増えたイメージでしょうか?
3つの1/2λダイポールが並んだイメージ?

以上、教えてください。

補足みなさん、回答ありがとうございます。
1/2λ単位で、電流方向が変わるのでしょうか?
3/2λでは、両サイドの分が、中央と逆位相?
結局、共振はするけど、打ち消して、1/2λと同じ性能?
逆相エレメントをコイルで短縮し、打消し分を減らすのは理解できました。

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ベストアンサーに選ばれた回答

nan********さん

編集あり2010/4/719:19:32

原理的な面から答えてみたいと思います。

はい、アンテナエレメントが長いほど普通には利得が上がります、と言って良いと思います。(導体抵抗を無視した場合ですが) そして普通はアンテナの開口面積が広くなってどうのこうの、と説明がなされるかもしれません。 でも別の面から論じてみたいと思います。

高周波電流が流れている導体からは電波が放射されます。そしてその電波の位相は(電流の位相が変わるのですから)アンテナエレメントの1/2λ毎に変わります。

いずれにせよ各々の電流からそれぞれの位相を持った電波が放射され、周囲の状態のよる反射や放射エレメント間の相対距離から電波の合成がなされます。 反射面はロングワイヤやnλダイポールなら地面です。

ここで{利得」とは何か、について考えてみます。 全ての電波の合成波で位相が合ってレベルが強めあってピークとなった結果の方向が指向性ですし、その強めあうピークレベルが利得です。別な言葉で言えばn個のエレメントから電波が発射され、その周りで反射合成がなされれば、必ず電波の濃淡が出来ます。そして、つまり利得が生じます。

しかし、問題はその利得が有用かどうか、です。 ただ単に利得の高い方向が生じたとしても、それが非常に狭い、あるいは通信に使えない指向性であったならば、それは意味がありません。 利得だけを論じる事の危険性がここにあります。

例えば3/2λ ダイポールは上の理論から利得がある筈です(すみませんシュミレーションしていません)、しかしアンテナとして有用かどうかは別問題と思います。 市販のGP等での高利得アンテナは放射される電波の合成が、相殺するよりも強めあう様にエレメントが配してある、と理解しています。 (逆相電流のエレメントはコイル等を使って極力短くするようにです。)

補足、追加:
はい、1/2λ単位で電流方向が変わる、としないと私の自己流の論理が破綻します。(でも、数式等で証明したわけではありません) 3/2λは7メガDP(20m)を21メガでドライブした時もそうですね。MMANAによれば自由空間では3dBi程の利得になりますし、地上では6~7dBiの利得が発生します。両サイドの1/2λ分が、中央と逆位相になると思います。 この利得はある程度離れた(遠方界)で反射波も含めて合成されて、複雑な指向性パターンになります。その指向性パターンのピークがそのアンテナの利得です。
なお、若干、本文を修正しました。

質問した人からのコメント

2010/4/11 20:41:30

笑う みなさん回答ありがとうございました。
うち消すと言っても、空間距離があるので、完全にうち消しできずに、
多少の利得が発生する感じかな?あと、放射パターンが複雑になる・・

ベストアンサー以外の回答

1〜1件/1件中

nao********さん

2010/4/518:17:30

GP(垂直偏波)での使用と言う事で回答します。

一般に市販されているGPは、1/2λの同軸を交互に接続した同軸コリニアと言うタイプと、銅線中間に位相コイルを入れたコリニアタイプのアンテナがほとんどです。

文面から質問は、位相コイルを入れたタイプと思います。

言われるように1/2λのダイポールを上下に並べスタックにするとロス無く給電できればで3dBの利得上昇が見込めます。 八木でよくスタックにする原理と全く同一です。

ただ、ダイポールアンテナは中央から給電しますので、垂直に立てた場合同軸ケーブルがエレメントと平行に引き回さなくてはならないので、無指向性にはなりません。

そこで、上の1/2λのエレメントと下の1/2λのエレメントを位相コイルを介して接続して上下のスタックとして動作するようにしています。上下のエレメントの位相が合うように設計されていないと無指向性とは言ってもビームが上に向いてしまったり、下に向いたりしますので、自作するには非常に難しいです。

位相コイル近傍からも輻射はありますが、上下のエレメントからの輻射の合成が主な通信方向となるので打ち消され効率よく水平方向にビームがでるような設計となっています。 エレメント数が多くなればなるほど風船を上から押しつぶしたような指向性になり、利得が出ます。

お尋ねの棒状の3/2λのダイポールアンテナは、いくらかは利得はあるとは思いますが、1本のダイポールより水平方向には利得は少ないでしょう。通信に使うには地面と平行に強く輻射するような設計をしなければなりません。

フリーのアンテナシュミレータMMANA等で簡単にシュミレートできますので、やってみれば感じが良くわかります。

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